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0 引言

    USB（通用串行总线），是近年来逐步在PC领域广为应用的新型接口技术，广泛地应用于PC机以及嵌入式系统上。目前市场上的USB设备， 除计算机是主机接口外，其他多数为从机接口, 如打印机、U 盘等，然而USB 的拓扑结构中居于核心地位的是Host (也称为主机) , 任何一次USB的数据传输都必须由主机来发起和控制，DEVICE (从机或设备) 只能响应主机的请求，任何2个外设之间或是2个主机之间无法直接通信。随着USB应用领域的逐渐扩大，人们对于USB的期望也越来越高，希望USB能应用在没有PC的领域中，基于USB HOST的开发应用也越来越广泛。笔者考虑到传统的环境监测仪多利用RS485实现与PC主机的有线远程数据传输，使得监测仪的工作场合和便携性受到相当大的限制，在本文中提出一种新型环境参数监测仪，它配置两路音频和温度传感器，以USB HOST系统为核心，以U盘为数据存储媒介，不受场合限制随时随地实现环境参数（环境噪音响度，温度）的采集、处理、存储和通信等功能；更有助于准确地建立环境参数的演变数据库，为环境的监控和整改提供客观依据；便于携带，成本低廉，有较强的市场前景。

1 环境监测仪的设计

    1.1 系统概述

    环境监测仪对环境参数的处理可分为信号采集和数据处理两部分,与此相对应,环境监测仪主要由环境参数采集电路和USB主机两个部分组成。整体结构框图见图1：

图 1  整体结构框图

          
    1.2 环境参数采集电路设计

    以DS18B20单线数字温度传感器，MCA-BTA声音传感器加上高速A/D构成了系统的环境参数采集电路。

    DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1－Wire，即单总线器件，线路简单（三个引脚GND，DQ：数字信号输入输出端，VDD），体积小；只要求一个端口即可实现通信；不需要外部任何元器件即可实现测温，范围在－55℃到＋125℃之间；可以通过寄生电源或者外部电源两种供电方式工作。因此完全符合便利地对现场温度测量的要求。需要注意的是，在寄生电源接线模式下，必须确保电源电压汲取能量充足，否则会导致测量温度偏高，误差量较大。

    MCA-MTA声音传感器由美国Vernier公司生产，使用的是与人类耳朵相似具有频率反应的电麦克风。它的工作原理为：声压讯号→传感器→电压讯号→放大器→计权网络dB值。  

    为增加检测信息的实用性,USB主机系统设计中加了一个日历时钟模块：DS 12C887。DS 12C887 能够自动产生世纪、年、月、日、时、分、秒等时间信息； 具有标准的并行总线口, 可以方便与单片机连接。

    1.3 嵌入式USB主机硬件结构设计

    1.3.1 硬件要求

    USB主机是本监测仪开发中的重点和核心。设计嵌入式USB主机电路要遵循USB主机的协议规范，具体在硬件设计上要选择USB主机的接口芯片，并且要选用合适的MCU（单片机或微控制器）或MPU（微处理器）来控制。因为整个USB协议框架非常复杂，所以就需要MCU具有较大的内部RAM，用以处理大量的数据缓冲区，变量，数据存储等等；其次系统要有大量的程序存储区，一般FLASH的需求大概是在10K至60K。

    1.3.2 CH375简介

    CH375是一个USB总线的通用接口芯片,支持HOST主机方式和SLAVE 设备方式。CH375的USB主机方式支持各种常用的USB全速设备,外部单片机/DSP/MCU可以通过CH375按照相应的USB 协议与USB 设备通讯。CH375还内置了处理Mass Storage海量存储设备的专用通讯协议的固件,外部单片机/DSP/MCU可以直接以扇区为基本单位读写常用的USB 存储设备(包括USB硬盘/USB闪存盘/U盘)。
CH375芯片内部集成了PLL倍频器、主从USB接口SIE、数据缓冲区、被动并行接口、异步串行接口、命令解释器、控制传输的协议处理器、通用的固件程序等。对于USB存储设备的应用，CH375直接提供了数据块的读写接口，以512b的物理扇区为基本读写单位，从而将USB存储设备简化为一种外部数据存储器，单片机可以自由读写USB存储设备中的数据，也可以自由定义其数据结构。

    1.3.3 CPU的选择

    CH375的文件级子程序库（实现FAT文件系统层，详细请见软件设计）需要大约600字节的随机存储器RAM作为缓冲区。鉴于采用MCS51内核, 且与AT89C52兼容的SM 5964单片机内部嵌有64KB的flash和1KB的SRAM,为USB主机协议的实现提供了足够的代码空间和数据存储区，无须扩展外部RAM，简化了硬件层面的设计，而且抗干扰能力较强，温度范围宽，在目前市场上性价比较高，嵌入式USB主机CPU采用SM 5964。

    1.3.4 连接电路

    CH375工作于主机模式时，分为串行方式与并行方式两种。我们这里采用串行方式，这种的连线相对比较简单。如果CH375芯片的TXD引脚悬空(待接单片机)或者没有通过下拉电阻接地，那么CH375工作于串口方式。在串口方式下，CH375只需要与单片机/DSP/MCU连接3个信号线，TXD引脚、RXD引脚以及INT#引脚，其它引脚都可以悬空，就可以进行较远距离的点对点连接。CH375芯片的RXD 和TXD分别连接到单片机的串行数据输出引脚和串行数据输入引脚。INT#输出的中断请求是低电平有效，用于通知单片机（见图2）。

    CH375 的串行数据格式是1个起始位、9个数据位、1个停止位，其中前8个数据位是一个字节数据，最后1个数据位是命令标志位。第9位为0时，前8位的数据被写入CH375芯片中，第9位为1时，前8位被作为命令码写入CH375芯片中。CH375的串行通讯波特率默认是 9600 bps，单片机可以随时通过SET_BAUDRATE 命令选择合适的通讯波特率。

图 2 串口方式下CH375与单片机连接示意图

  
    1.4 嵌入式USB主机的软件设计

    嵌入式USB主机主要实现USB设备的热插拔检测、设备重启、读取设备的各种描述符等USB1.1协议规范, 并实现USB Mass Storage 类。Mass Storage 类主要用于为软磁盘接口、ATA接口、硬盘接口及FLASH存储器等设备建立的USB接口。
在USB主机方式下，CH375支持各种常用的USB全速设备，以中断方式通知外部单片机（SM5964）进行处理，中断逻辑图如图3。单片机需要编写固件程序按照相应的USB协议与USB设备通讯。

图 3   主机方式下CH375中断逻辑图

    
    单片机处理USB存储设备的文件系统需要实现图3左边的4个层次，右边是USB存储设备的内部结构层次。CH375不仅是一个通用的USB-HOST硬件接口芯片，还内置了相关的固件程序，包含了图4左边的3个层次（深色），所以实际的单片机程序主要处理FAT文件系统层。

图 4 处理USB存储设备文件系统示意图

    在上图中的SCSI，UFI，RBC都是Mass Storage类的子类，都有自己的协议，应用于不尽相同的设备。他们通过命令的形式实现各种功能，而这些命令都是各子类所特有的。在USB进行数据传输的时候，这些命令都被打包成一系列的命令包进行传输。真正与Mass Storage的传输方式相关的是其传输协议，在这里为BULK-ONLY传输协议。有关Mass Storage类的标准描述符在传输协议中实现。

    FAT文件系统层可以由CH375的U盘文件级子程序库实现。该子程序库提供了USB存储设备的文件级接口，这些应用层接口API包含了常用的文件级操作，可以移植并嵌入到SM5964单片机程序中。CH375的U盘文件级子程序库具有以下特性：支持常用的FAT16和FAT32文件系统，磁盘容量可达100GB以上，支持多级子目录，支持8.3格式的大写字母文件名，支持文件打开、新建、删除、读写以及搜索等。

    综上所述，分层次程序段示例如下：

    #define  UINT8     unsigned char
    #define  UINT16    unsigned short
    #define  UINT32    unsigned long
    #define  UINT8X    unsigned char xdata
    #define  UINT8VX   unsigned char volatile xdata
    UINT8VX    CH375_CMD_PORT _at_ 0xBDF1;  /* CH375命令端口的I/O地址 */
    UINT8VX    CH375_DAT_PORT _at_ 0xBCF0;  /* CH375数据端口的I/O地址 */
    #define    CH375_INT_WIRE    INT0       /* P3.2, 连接CH375的INT#引脚,用于查询中断状态 */
    UINT8X     DISK_BUFFER[512*32] _at_ 0x0000;  /* 外部RAM数据缓冲区的起始地址 */
    UINT32  DiskStart;    /* 逻辑盘的起始绝对扇区号LBA */
    UINT8   SecPerClus;   /* 逻辑盘的每簇扇区数 */
    UINT8   RsvdSecCnt;   /* 逻辑盘的保留扇区数 */
    UINT16  FATSz16;      /* FAT16逻辑盘的FAT表占用的扇区数 */
    /* ********** 硬件USB接口层*/
    void  mDelaymS( UINT8 delay ) {
    UINT8  i, j, c;
    for ( i = delay; i != 0; i -- ) {
    for ( j = 200; j != 0; j -- ) c + = 3;
    for ( j = 200; j != 0; j -- ) c + = 3;
    }
    }
    void CH375_WR_CMD_PORT( UINT8 cmd ) {  /* 向CH375的命令端口写入命令 */
    CH375_CMD_PORT=cmd;
    for ( cmd = 2; cmd != 0; cmd -- );  /* 发出命令码前后应该各延时2uS */
    }
    void CH375_WR_DAT_PORT( UINT8 dat ) {  /* 向CH375的数据端口写入数据 */
    CH375_DAT_PORT=dat;          /* 因为单片机较慢所以实际上无需延时 */
    }
    UINT8 CH375_RD_DAT_PORT( void ) {    /* 从CH375的数据端口读出数据 */
    return( CH375_DAT_PORT );      /* 因为单片机较慢所以实际上无需延时 */
    }
    UINT8 mWaitInterrupt( void ) {  /* 等待CH375中断并获取状态,返回操作状态 */
    while( CH375_INT_WIRE );  /* 查询等待CH375操作完成中断(INT#低电平) */
    CH375_WR_CMD_PORT( CMD_GET_STATUS );  /* 产生操作完成中断,获取中断状态 */
    return( CH375_RD_DAT_PORT( ) );
    }
    /* ********** BulkOnly传输协议层,被CH375内置了,无需编写单片机程序 */
    /* ********** RBC/SCSI命令层,虽然被CH375内置了,但是要写程序发出命令及收发数据  */
    UINT8  mInitDisk( void ) {  /* 初始化 */
    UINT8 Status;
    CH375_WR_CMD_PORT( CMD_GET_STATUS );  /* 产生操作完成中断, 获取中断状态 */
    Status = CH375_RD_DAT_PORT( );
    if ( Status == USB_INT_DISCONNECT ) return( Status );  /* USB设备断开 */
    CH375_WR_CMD_PORT( CMD_DISK_INIT );  /* 初始化USB存储器 */
    Status = mWaitInterrupt( );  /* 等待中断并获取状态 */
    if ( Status != USB_INT_SUCCESS ) return( Status );  /* 出现错误 */
    CH375_WR_CMD_PORT( CMD_DISK_SIZE );  /* 获取USB存储器的容量 */
    Status = mWaitInterrupt( );  /* 等待中断并获取状态 */
    if ( Status != USB_INT_SUCCESS ) {  /* 出错重试 */
    mDelaymS( 250 );
    CH375_WR_CMD_PORT( CMD_DISK_SIZE );  /* 获取USB存储器的容量 */
    Status = mWaitInterrupt( );  /* 等待中断并获取状态 */
    }
    if ( Status != USB_INT_SUCCESS ) return( Status );  /* 出现错误 */
    return( 0 );  /* U盘已经成功初始化 */
    }
    UINT8  mReadSector( UINT32 iLbaStart, UINT8 iSectorCount, UINT8X *oDataBuffer )
    {
    UINT16  mBlockCount;
    UINT8  c;
    CH375_WR_CMD_PORT( CMD_DISK_READ );  /* 从USB存储器读数据块 */
    CH375_WR_DAT_PORT( (UINT8)iLbaStart );  /* LBA的最低8位 */
    CH375_WR_DAT_PORT( (UINT8)( iLbaStart >> 8 ) );
    CH375_WR_DAT_PORT( (UINT8)( iLbaStart >> 16 ) );
    CH375_WR_DAT_PORT( (UINT8)( iLbaStart >> 24 ) );  /* LBA的最高8位 */
    CH375_WR_DAT_PORT( iSectorCount );  /* 扇区数 */
    for ( mBlockCount = iSectorCount * 8; mBlockCount != 0; mBlockCount -- ) {
    c = mWaitInterrupt( );  /* 等待中断并获取状态 */
    if ( c == USB_INT_DISK_READ ) {  /* 等待中断并获取状态,请求数据读出 */
    CH375_WR_CMD_PORT( CMD_RD_USB_DATA );  /* 从CH375缓冲区读取数据块 */
    c = CH375_RD_DAT_PORT( );  /* 后续数据的长度 */
    while ( c -- ) *oDataBuffer++ = CH375_RD_DAT_PORT( );
    CH375_WR_CMD_PORT( CMD_DISK_RD_GO );  /* 继续执行USB存储器的读操作 */
    }
    else break;  /* 返回错误状态 */
    }
    if ( mBlockCount == 0 ) {
    c = mWaitInterrupt( );  /* 等待中断并获取状态 */
    if ( c== USB_INT_SUCCESS ) return( 0 );  /* 操作成功 */
    }
    return( c );  /* 操作失败 */
    }
  
    FAT文件系统层的程序量较大，主要包括下列函数： mIdenDisk，识别分析当前逻辑盘；mLinkCluster，获得指定簇号的链接簇，输入：当前簇号, 返回：原链接簇号, 如果为0则说明错误；mStopIfError，若错误则停止运行并显示错误状态，等等，在此不予详述。

2  工作流程

    基于嵌入式USB主机的交通监测仪的工作流程见图5：

图 5 工作流程图

    在实际测试中，将采集到的环境参数以“.txt”方式存储，目标盘为64M和128M的U盘，成功存入自定的文件“Data.txt”,支持文件续写和重定义文件名，并可在PC中打开该文件，也可以直接用上层测控软件进行进一步的处理。

3  结束语

    本系统设计充分体现了便携，可靠，实用的优点，可为城市环境规划提供充分的数据参考。随着进一步的实际应用，仍然有改进的余地，如可以扩展多路传感器，测量如包括气压、二氧化碳浓度等其他环境参数；相应地，提高存储容量；还可以考虑构建区域服务器以增加效率等等。

参考文献：

[1] 马伟 计算机USB系统原理及其主从机设计 北京：北京航空航天大学出版社，2004,94~98

[2] 张慧 USB ON-THE-GO技术及应用 工业控制计算机学报，2005,18,10

[3] 嵌入式USB-HOST解决方案[DB/OL] http://www.broadmaking.com,2002,6